【正文】 于一個(gè)處理器中，也就是為Windows NT/2000提供實(shí)時(shí)擴(kuò)展。目前已有許多廠商提供這類商用軟件，、 。，簡要介紹Windows NT/2000的實(shí)時(shí)擴(kuò)展技術(shù)。 NT/2000的子系統(tǒng)，它是Windows NT/2000的實(shí)時(shí)擴(kuò)展，為完成實(shí)時(shí)任務(wù)的線程，它提供了一個(gè)核心態(tài)執(zhí)行環(huán)境。從前面的論述可知，Windows NT/2000不能完成實(shí)時(shí)任務(wù)，其主要原因是它的線程優(yōu)先級太少；調(diào)度決策相當(dāng)含糊，而且具有某種不確定性；它的中斷活動不遵循線程優(yōu)先級。另外，Windows NT/2000的同步對象，如事件、信號量和互斥體等缺乏必要的實(shí)時(shí)語義（實(shí)際上，它們既不支持就緒線程按優(yōu)先級順序等待對象，也不阻止優(yōu)先級倒置）。 NT/2000存在的上述問題，進(jìn)行了有效的實(shí)時(shí)擴(kuò)展。1）。（Hardware Abstraction Layer, HAL）擴(kuò)展、實(shí)時(shí)子系統(tǒng)（RealTime Subsystem, RTSS）以及函數(shù)庫組成，如圖258所示。圖258 。HAL是Windows NT/2000系統(tǒng)的一部分。它的源代碼可以得到，并能被修改和擴(kuò)展。RTX已經(jīng)修改了HAL，以達(dá)到下述3個(gè)目的。Ⅰ.在NT和RTSS線程之間加入中斷隔離。即RTX線程運(yùn)行時(shí)Windows的中斷被屏蔽，但Windows不能屏蔽RTX管理的中斷。Ⅱ.實(shí)現(xiàn)高速時(shí)鐘和定時(shí)器。實(shí)時(shí)HAL擴(kuò)展提供1分辨率的時(shí)鐘和100的定時(shí)器。在不用RTSS時(shí)，實(shí)時(shí)HAL和Windows NT/2000HAL在定時(shí)上沒有區(qū)別。Ⅲ.實(shí)現(xiàn)Windows停機(jī)處理。保護(hù)RTSS線程免受Windows NT/2000崩潰的影響。RTSS在概念上和其他的Windows NT/2000子系統(tǒng)（如Win3POSIX等）相似，也支持它自己的執(zhí)行環(huán)境和API。但RTSS和其他的Windows NT/2000子系統(tǒng)有一個(gè)很重要的不同，即RTSS執(zhí)行自己的實(shí)時(shí)線程調(diào)度方法，不使用Windows NT/2000調(diào)度程序。它的線程管理器采用搶先式調(diào)度，共有128個(gè)優(yōu)先級。一個(gè)RTSS線程在任何Windows NT/2000的線程之前運(yùn)行，直到它被掛起或被更高優(yōu)先級的RTSS線程搶先。RTSS線程是完全搶先式的。函數(shù)庫提供實(shí)時(shí)API(RTX API)。通過RTX API可以訪問RTSS子系統(tǒng)。RTX API既可以在RTSS環(huán)境中被調(diào)用，也可以在標(biāo)準(zhǔn)Win32環(huán)境中被調(diào)用。在RTSS環(huán)境中使用RTX API可以保證實(shí)時(shí)性能，而在Win32環(huán)境中使用RTX API，則無法保證實(shí)時(shí)性能。2）。，且執(zhí)行自己的完全搶先式線程調(diào)度程序；任何RTX中斷的優(yōu)先級都高于Windows NT/2000中斷，消除了因Windows NT/2000中斷機(jī)制而產(chǎn)生的延遲。另外為了解決優(yōu)先級倒置的問題，RTX采用了優(yōu)先級提升的經(jīng)典解決方法。當(dāng)一個(gè)較高優(yōu)先級的線程等待一個(gè)較低優(yōu)先級線程正在使用的資源，則這個(gè)較低優(yōu)先級線程的有效優(yōu)先級被提升到那個(gè)較高優(yōu)先級線程的水平。 NT/2000實(shí)時(shí)擴(kuò)展，經(jīng)國外研究機(jī)構(gòu)測試，在典型的PC平臺上，其最壞情況中斷延遲時(shí)間為40~100。因此，采用Windows NT/2000實(shí)時(shí)擴(kuò)展技術(shù)，既可以充分利用Windows NT/2000帶來的開放性的好處，又完全滿足數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求。（5）實(shí)時(shí)Linux 近年來，隨著Linux操作系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，它的諸多優(yōu)秀特性得到體現(xiàn)。Linux是一個(gè)仿UNIX系統(tǒng)，遵循POSIX標(biāo)準(zhǔn)，繼承了UNIX優(yōu)秀的設(shè)計(jì)思想，具有簡練，容錯(cuò)性強(qiáng)、高效且穩(wěn)定的內(nèi)核和一切UNIX的成熟特點(diǎn)。Linux支持廣泛的硬件平臺，能真正實(shí)現(xiàn)多任務(wù)、多用戶環(huán)境。Linux在執(zhí)行效率、穩(wěn)定性上并不遜色于Windows NT，而且Linux是源代碼開放的操作系統(tǒng)，又有實(shí)時(shí)補(bǔ)丁，因此在Linux上開發(fā)數(shù)控系統(tǒng)是一個(gè)非常好的選擇，對于開發(fā)具有自主版權(quán)的數(shù)控系統(tǒng)也具有現(xiàn)實(shí)意義。1）Linux簡介。Linux是一個(gè)整體內(nèi)核，它不同于Windows的微內(nèi)核。Linux的內(nèi)核包含了理想操作系統(tǒng)所應(yīng)具有的所有特性，如多任務(wù)、虛擬內(nèi)存、為提高通信速度而具備最快的TCP/IP驅(qū)動程序、共享庫、多用戶支持以及允許程序訪問物理內(nèi)存和保護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定性的保護(hù)模式。Linux的整體式內(nèi)核結(jié)構(gòu)提高了系統(tǒng)的效率，而且它的源代碼開放的特性和免費(fèi)使用，使得它獲得迅猛發(fā)展，其穩(wěn)定性也是相當(dāng)出色的。2)RTLinux。與Windows一樣，Linux本身也不是一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，它不能用于需要強(qiáng)實(shí)時(shí)的工業(yè)控制領(lǐng)域。但是，Linux是自由軟件，它的源代碼是開放的，這使得Linux的內(nèi)核可被改造成為一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，并保留Linux本身的大部分功能。到目前為止，全球在Linux平臺下開發(fā)的通用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)最常用的主要有兩種：一種是由美國新墨西哥理工學(xué)院開發(fā)的Linux實(shí)時(shí)內(nèi)核，即RTLinux。另一種是由意大利米蘭DLAPM在RTLinux的基礎(chǔ)上開發(fā)的基于Linux平臺的實(shí)時(shí)應(yīng)用接口，即RTAPI。RTLinux是基于Linux操作系統(tǒng)并可運(yùn)行于多種硬件平臺的多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，它保留了常規(guī)Linux內(nèi)核，又重新設(shè)計(jì)了一個(gè)新的實(shí)時(shí)內(nèi)核。RTLinux用最小的代價(jià)提供了強(qiáng)實(shí)時(shí)性，避免了對Linux的大規(guī)模結(jié)構(gòu)改造，并保留了Linux操作系統(tǒng)提供的功能，如中文圖形界面（XWindows）、TCP/IP網(wǎng)絡(luò)、豐富的編程資源等功能。RTLinux的新實(shí)時(shí)內(nèi)核和常規(guī)Linux內(nèi)核使用相同的文件系統(tǒng)和存儲管理機(jī)制。RTLinux的新實(shí)時(shí)內(nèi)核采用虛擬中斷方案，將系統(tǒng)中斷劃分為兩組：一組由常規(guī)Linux內(nèi)核控制，另一組則有實(shí)時(shí)內(nèi)核控制，同時(shí)設(shè)置8259芯片相應(yīng)中斷級的屏蔽位，使中斷請求首先重定向到實(shí)時(shí)內(nèi)核中并加以過濾。如果該中斷是實(shí)時(shí)內(nèi)核中斷，則由實(shí)時(shí)中斷處理例程繼續(xù)執(zhí)行；如果是常規(guī)Linux內(nèi)核中斷，則設(shè)置標(biāo)志位等待處理，僅當(dāng)沒有實(shí)時(shí)中斷處理被執(zhí)行時(shí)才轉(zhuǎn)向常規(guī)Linux中斷處理例程。通過這種方法，使實(shí)時(shí)內(nèi)核可以隨時(shí)中斷常規(guī)Linux操作系統(tǒng)以執(zhí)行關(guān)鍵的實(shí)時(shí)任務(wù)。此時(shí)常規(guī)Linux內(nèi)核作為實(shí)時(shí)內(nèi)核的一個(gè)最低優(yōu)先級任務(wù)予以管理，當(dāng)有任何更高優(yōu)先級的實(shí)時(shí)任務(wù)請求處理時(shí)，就剝奪常規(guī)Linux操作系統(tǒng)的運(yùn)行權(quán)而轉(zhuǎn)入相應(yīng)的實(shí)時(shí)任務(wù)處理程序。其操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖259所示。圖259 RTLinux的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對于普通X86的硬件結(jié)構(gòu)，RTLinux擁有出色的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。無論系統(tǒng)負(fù)載如何，其最大延遲時(shí)間不超過15，最大任務(wù)切換時(shí)間誤差小于35。在設(shè)計(jì)和開發(fā)數(shù)控系統(tǒng)時(shí)，實(shí)時(shí)任務(wù)（如插補(bǔ)和位置控制）作為可加載的實(shí)時(shí)核心模塊，工作在操作系統(tǒng)的核心態(tài)，通過調(diào)用實(shí)時(shí)核心提供的服務(wù)得到所需要的實(shí)時(shí)性能。另外，實(shí)時(shí)任務(wù)模塊為保證實(shí)時(shí)性要求，不使用虛擬內(nèi)存機(jī)制，與非實(shí)時(shí)任務(wù)可以通過實(shí)時(shí)FIFO（管道）和共享內(nèi)存進(jìn)行通信。由于RTLinux具有常規(guī)Linux的基本功能，如中文圖形界面（XWindows）和豐富的編程資源等，為快速開發(fā)基于PC的數(shù)控系統(tǒng)提供可便利；而且RTLinux所具有的實(shí)時(shí)性，滿足了數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。故選擇RTLinux作為開放式數(shù)控系統(tǒng)的軟件開發(fā)平臺是一種可行的方案。在開放式數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展過程中，運(yùn)動控制器與伺服驅(qū)動器的接口作為其重要環(huán)節(jié)經(jīng)歷了一系列的變化。由早期的模擬接口過渡為專用數(shù)字接口，直至標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)數(shù)字總線，這也是開放式數(shù)控得以實(shí)現(xiàn)的另一重要因素。目前比較有影響的運(yùn)動總線有SERCOS、MACRO和基于Fire wire的總線（Fire wire僅是通信協(xié)議中一個(gè)物理層的定義）。目前后兩種總線尚未成為國際標(biāo)準(zhǔn)，各廠家的產(chǎn)品存在難以互換或互操作的問題。因此以下僅介紹SERCOS總線的發(fā)展歷程、主要功能特點(diǎn)和技術(shù)性能。（1）SERCOS接口發(fā)展歷程 SERCOS(Serial RealTime Communication System)接口是數(shù)字控制器間的串行實(shí)時(shí)通信總線的英文縮寫，1989年誕生于歐洲。第一個(gè)應(yīng)用SERCOS接口的領(lǐng)域是作為工業(yè)自動化系統(tǒng)的高速傳輸線，因而曾使人認(rèn)為SERCOS接口僅適用于作傳輸線。當(dāng)SERCOS走進(jìn)機(jī)床市場，并在包裝業(yè)和材料處理業(yè)中應(yīng)用后，證實(shí)了這種觀點(diǎn)的錯(cuò)誤。由于SERCOS具有分布式控制能力，使基于工業(yè)PC的數(shù)控系統(tǒng)可以控制大量的軸，并開始與電子直線軸、電子凸輪、電子齒輪等技術(shù)相結(jié)合，向機(jī)器制造者提供高水準(zhǔn)的動態(tài)性能和同步精度，使印刷業(yè)、食品和包裝業(yè)、紙張和材料處理業(yè)等出現(xiàn)了制造裝備的革命性變革。由于SERCOS接口在各種自動化應(yīng)用中取得了明顯的效果，證實(shí)了該接口具有巨大潛力，1995年國際電氣技術(shù)委員會把它采納為標(biāo)準(zhǔn)IEC61491,使其成為當(dāng)今唯一的用于運(yùn)動控制的開放式接口國際標(biāo)準(zhǔn)。目前全世界已經(jīng)有70多家公司提供具有SERCOS接口的產(chǎn)品，其中包括數(shù)字伺服驅(qū)動器、數(shù)控系統(tǒng)、SERCOS接口輸入/輸出模塊等，許多供應(yīng)商還提供硬件和軟件接口模塊技術(shù)、咨詢和產(chǎn)品設(shè)計(jì)服務(wù)等。（2）SERCOS接口的位置命令操作模式 位置命令操作模式是SERCOS接口最精彩或最成功之處。它不但把運(yùn)動軸的位置控制環(huán)從數(shù)控系統(tǒng)移入伺服驅(qū)動器中，即原來有數(shù)控系統(tǒng)完成的運(yùn)動軸位置控制功能改由伺服驅(qū)動器完成，而且通過其他控制功能的分析，把針對運(yùn)動軸的各種特定功能全部放進(jìn)了支持SERCOS 接口技術(shù)的伺服驅(qū)動器內(nèi)，其中包括以下功能。1）檢測。數(shù)控機(jī)床的許多操作都涉及運(yùn)動軸位置信息采集，如刀具和工件的測量等。這些檢測信息的采集任務(wù)原來都是由數(shù)控系統(tǒng)來完成的，檢測裝置在接到數(shù)控系統(tǒng)的命令后，立即檢測運(yùn)動軸的位置，并將檢測結(jié)果傳送給數(shù)控系統(tǒng)。配備帶SERCOS接口的伺服驅(qū)動器后，檢測信號只須發(fā)送到伺服驅(qū)動器，而不必直接發(fā)送給數(shù)控系統(tǒng)。伺服驅(qū)動器可以將運(yùn)動軸的當(dāng)前位置信息存儲起來，通過SERCOS接口向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出信號，如果需要，數(shù)控系統(tǒng)將使用SERCOS服務(wù)通道請求和接收伺服驅(qū)動器捕捉到的位置信息。2）返回機(jī)床零點(diǎn)。 采用SERCOS接口技術(shù)的伺服驅(qū)動器具有一個(gè)回零點(diǎn)例程，是數(shù)控系統(tǒng)不再承擔(dān)此項(xiàng)任務(wù)。3）進(jìn)給前饋。 在傳統(tǒng)的位置控制中，進(jìn)給前饋是補(bǔ)償位置延時(shí)或跟隨誤差的一種算法。對于高速多軸聯(lián)動的數(shù)控機(jī)床是必需的。鑒于進(jìn)給前饋屬于運(yùn)動軸控制功能，SERCOS接口將其添加到SERCOS伺服驅(qū)動器的位置環(huán)控制中。4）反向誤差補(bǔ)償。 反向誤差補(bǔ)償是為克服運(yùn)動反向時(shí)由滾珠絲桿或齒輪間隙造成丟失運(yùn)動量的運(yùn)動誤差補(bǔ)償方法。由于它也屬于運(yùn)動軸控制方面的功能，SERCOS接口也將添加到SERCOS伺服驅(qū)動器的位置環(huán)控制中。5）導(dǎo)程誤差補(bǔ)償。 導(dǎo)程誤差補(bǔ)償用編程位置與實(shí)際位置關(guān)系表來補(bǔ)償機(jī)械傳動鏈中的誤差，SERCOS接口將其納入SERCOS伺服驅(qū)動器來處理。6）數(shù)字存儲示波器。 現(xiàn)代數(shù)字伺服驅(qū)動器具有存儲能力，用來存儲位置、速度或力矩等數(shù)據(jù)采集表，然后通過SERCOS服務(wù)通道把這些數(shù)據(jù)傳送到數(shù)控系統(tǒng)并通過人機(jī)界面顯示。7）快速移動到確定停止位置。 這是在高效生產(chǎn)中普遍需要的運(yùn)動特性，可控制運(yùn)動軸從運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)入暫停狀態(tài)。SERCOS接口將此控制功能也添加到SERCOS伺服驅(qū)動器中。通過SERCOS接口，可以把以上眾多原來由數(shù)控系統(tǒng)完成的運(yùn)動軸實(shí)時(shí)控制任務(wù)交給SERCOS伺服驅(qū)動器來完成。從而大大減輕數(shù)控系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，使其能更快速地執(zhí)行任務(wù)，控制更多的軸，運(yùn)動更為復(fù)雜、功能更為強(qiáng)大的后臺軟件，使全軟件數(shù)控系統(tǒng)具有更強(qiáng)大的功能。因?yàn)镾ERCOS伺服驅(qū)動器可以承擔(dān)上述多項(xiàng)運(yùn)動軸控制功能，所以人們將SERCOS伺服驅(qū)動器稱為智能伺服驅(qū)動器。實(shí)際應(yīng)用證明采用SERCOS接口技術(shù)的數(shù)控機(jī)床可以實(shí)現(xiàn)高速、高精度加工。如建立在SERCOS產(chǎn)品基礎(chǔ)上的XL0高速加工系統(tǒng)，在直徑為68㎜的圓周上進(jìn)行平面圓弧插補(bǔ)，加工速度可達(dá)20，零件制造精度達(dá)到4。（3）SERCOS總線及應(yīng)用 SERCOS是用于運(yùn)動控制器（數(shù)控系統(tǒng)）與伺服驅(qū)動器（伺服系統(tǒng)）之間的高速串行總線接口和數(shù)字交換協(xié)議。已經(jīng)在1995年被確認(rèn)為IEC61491國際標(biāo)準(zhǔn)。它不僅能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)計(jì)算機(jī)與數(shù)字伺服系統(tǒng)之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信，而且還對I/O功能做出了相應(yīng)規(guī)定，可以同時(shí)完成PC與I/O設(shè)備之間離散數(shù)字信號的實(shí)時(shí)通信。SERCOS總線的實(shí)施由SERCOS主站、光纖、SERCOS從站共同構(gòu)成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)SERCOS光纖環(huán)內(nèi)有一個(gè)主站，可連接254個(gè)從站（伺服系統(tǒng)或I/O模塊），支持位置、速度、力矩三種伺服控制模式，傳輸速率達(dá)16，、…、65。最初，在PC+運(yùn)動控制卡的開放式數(shù)控系統(tǒng)中，一些具有SERCOS接口的運(yùn)動控制卡實(shí)際上就集成了SERCOS主站功能，也已經(jīng)有廠商提供獨(dú)立完成SERCOS主站功能的產(chǎn)品。SERCOS通信協(xié)議的處理是由主、從站的ASIC（專用集成電路）芯片完成的，此時(shí)運(yùn)動控制與伺服系統(tǒng)之間依靠ASIC芯片上的雙端口RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。隨著技術(shù)的進(jìn)步，完全符合SERCOS標(biāo)準(zhǔn)的SoftSERCOS出現(xiàn)了。SoftSERCOS實(shí)際上是安裝在主站卡上的軟件，作用就像PC上的打印機(jī)驅(qū)動程序，可以在網(wǎng)上免費(fèi)獲得。它以動態(tài)連接庫的形式為運(yùn)動控制器和伺服系統(tǒng)提供了API，作為它們之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的接口。SoftSERCOS的出現(xiàn)不僅使原來完成SERCOS的硬件得到簡化，降低了實(shí)現(xiàn)成本，而且使原來較為復(fù)雜的接口初始化過程相對容易。該類通信卡的生產(chǎn)廠家有Rexroth Indramst、Sciworx、AUTOMATA等。世界著名的驅(qū)動器制造廠商幾乎都先后推出了與傳統(tǒng)模擬接口伺服驅(qū)動器相對應(yīng)的SERCOS接口伺服驅(qū)動器等產(chǎn)品。2001年3月，第一百萬顆ASIC芯片投入使用， Jone制造公司包裝機(jī)所用數(shù)字驅(qū)動器內(nèi)，標(biāo)志著SERCOS標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用的廣泛性與巨大的成功。在全軟件型結(jié)構(gòu)的開放式數(shù)控系統(tǒng)中，采用SoftSERCOS作為SoftCNC與伺服驅(qū)動器之間的接口是很好的設(shè)計(jì)方案，一方面由于SERCOS已經(jīng)成為國際標(biāo)準(zhǔn)，通過SoftSERCOS實(shí)現(xiàn)SERCOS標(biāo)準(zhǔn)將成為今后的發(fā)展趨勢，支持這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的廠商會越來越多；另一方面由于SERCOS同時(shí)可以完成PLC和I/O系統(tǒng)之間的通信，是整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更為簡單?？傊琒ERCOS之類的現(xiàn)場